Presentación Coagulación.pdf

Universidad Manuela Beltrán Escuela de Posgrados
ESPECIALIZACIÓN EN AGUA Y
SANEAMIENTO
SISTEMAS DE POTABILIZACIÓN
DEL AGUA MÓDULO I
COAGULACIÓN DEL AGUA

ESPECIALIZACIÓN EN AGUA Y
SANEAMIENTO
MEZCLADORES HIDRAULICOS
CANALETA PARSHALL

SISTEMAS DE POTABILIZACIÓN DEL AGUA I
NORMATIVIDAD MVCT
RESOLUCIÓN 0330 de 2017
RAS 2013

RESOLUCIÓN 0330 del 8 de junio de 2017
ARTÍCULO 111. Coagulación
El diseño, operación y construcción de la mezcla rápida, ya sea por agitación
hidráulica o mecánica, deben garantizar la dispersión rápida y homogénea de los
coagulantes, auxiliares de coagulación y alcalinizantes, los cuales deben ser
aplicados en dosis óptimas. Se deben tener en cuenta los criterios dados en la tabla
7.
Tabla 7. Parámetros de referencia de diseño mezcla rápida
Tipo de
mezclador
Rango de Gradiente de
velocidad medio
Tiempo de mezcla
Hidráulico 1000 s-1 - 2000 s-1 < 1 s
Mecánico 500 s-1 - 2000 s-1 < 60 s

Parágrafo 1: Si se utiliza resalto hidráulico como mezclador rápido, el número de
Froude debe estar comprendido entre 4,5 y 9

CAMARA DE AQUIETAMIENTO
Criterios de diseño según libro de Luis Felipe Silva Garavito: Diseño de plantas de purificación del agua
Área de la cámara de sección cuadrada, con la entrada del agua por parte inferior.
▪ Velocidad ascensional de 4 a 10 cm/s
▪ Período de retención entre 30 y 60 segundos
El canal de salida se proyecta en la parte superior y se recomienda colocar una pantalla, que penetre en el agua
con el fin de anular cualquier oleaje que dificulte la medición del flujo. Jorge Arturo Pérez en el libro Manual de
Potabilización del agua, coloca un tabique difusor en el sistema de salida del agua

DISEÑO CAMARA DE AQUIETAMIENTO
Caudal
150 L/s
0,15 m3/s
Velocidad del agua
8 cm/s
0,08 m/s
Area superficial 1,88 m2
Ancho 1,3 m
Longitud 1,44 m
Ancho ajustado 1,3 m
Longitud ajustada 1,4 m
Area ajustada 1,82 m2
Velocidad del agua 8,24 cm/s
Tiempo de retención 40 segundos
Volumen 6 m3
Altura del agua 3,30 m
Altura ajustada 3,3 m
Tiempo de retención 40,04 segundos

MEZCLADOR HIDRÁULICO TIPO VERTEDERO FRONTAL
PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO
1. Datos de entrada:
• Caudal de diseño
• Temperatura del agua
• Seleccionar tipo de mezclador a diseñar
2. Suponer:
• Ancho del canal
• Altura del vertedero
3. Tener en cuenta criterios Nomas RAS
• Número de Froude: entre 4,5 y 9

• Tiempo de mezcla: menor de 1 s
• Gradiente de mezcla: entre 1000 y 2000 s-1
4. Diseño hidráulico
• Con el ancho del canal y el caudal de diseño, calcular la profundidad crítica
del agua
ℎ𝑐 =
3 𝑞2
𝑔
• Con el valor de la altura del vertedero y la profundidad crítica calcular h1 del
agua
ℎ1 =
2 ℎ𝑐
1,5 +
𝑃
ℎ𝑐
+ 1,06

• Con el valor de h1 y el caudal de diseño, calculamos V1 y el número de Froude,
revisar si este valor se encuentra entre 4,5 y 9, si no cumple, se recomienda
modificar los valores de entrada, preferiblemente el valor de “P”
𝑄 = 𝑉 . 𝐴 ⟹ 𝑉 =
𝑄
𝐴
=
𝑄
𝐵. ℎ1
= 𝑉1
𝑵𝑭 =
𝑽𝟏
𝒈 𝒉𝟏

• Si el número de Froude cumple, calcular h2 y V2
𝒉𝟐 =
𝒉𝟏
𝟐
𝟏 + 𝟖𝑵𝑭𝟐 − 𝟏
𝑽𝟐 =
𝑸
𝑩. 𝒉𝟐
• Calcular la longitud del resalto
𝑳𝑹 = 𝟔 . 𝒉𝟐 − 𝒉𝟏

• Calcular tiempo de mezcla. Se debe calcular la velocidad media del agua en el
resalto:
𝑽𝒎𝒆𝒅𝒊𝒂 =
𝑽𝟏 + 𝑽𝟐
𝟐
𝑽 =
𝒆𝒔𝒑𝒂𝒄𝒊𝒐
𝒕𝒊𝒆𝒎𝒑𝒐
⟹ 𝒕𝒊𝒆𝒎𝒑𝒐 =
𝑽𝒆𝒍𝒐𝒄𝒊𝒅𝒂𝒅
=
𝑳𝑹
𝑽𝒎𝒆𝒅𝒊𝒂

• Calcular las pérdidas de carga en el resalto
𝒉𝒇 =
(𝒉𝟐− 𝒉𝟏)
𝟒 𝒉𝟐𝒉𝟏
𝟑
• Con las pérdidas de carga y el tiempo de mezcla, calcular el gradiente de
mezcla
𝑮 =
𝒈. 𝒉𝒇
𝝊 . 𝜽

PARAMETRO
VALOR
2017
DISEÑO VERTEDERO FRONTAL
Caudal 150,00
Ancho del vertedero en metros 0,9
Altura " P " de caída ( m. ) 0,8
Coeficiente C 1,838
Carga sobre el vertedero Hd ( m ) 0,202
Relación de alturas ( y/H ) 3,964
Lm ( m ) 0,62
Caudal por unidad de ancho ( q ) m3/seg-m 0,167
Profundidad crítica hc ( m ) 0,141
Lm ( m ) 0,723
Altura conjugada h1 0,054
Velocidad teórica pie de la caída (V1) ( m / seg ) 3,11
Número de Froude. NF ( F1 ) 4,29
Lámina agua después del resalto (h2) 0,299
Velocidad agua después resalto (V2) 0,56

PARAMETRO
VALOR
2017
Temperatura del agua 24
Densidad del agua (gr/cm3 ) 0,99753
Viscosidad absoluta (gr.masa/cm.s) 0,00916
Viscosidad cinemática (cm2/seg) 0,00919
Pérdida de energía ( hf ) en metros 0,232
Pérdida de energía ( hf ) en cm 23,17
LONGITUD DEL RESALTO
Lr = 6*( h2 - h1 ) 1,48
Velocidad media del agua 1,83
Tiempo de mezcla T en segundos 0,80
GRADIENTE
Gradiente de velocidad G 1.753

PARAMETRO
VALOR
2017 2042
Caudal 150,00 220,00
Ancho del vertedero en metros 0,9 0,9
Altura " P " de caída ( m. ) 1 1,2
Coeficiente C 1,838 1,838
Carga sobre el vertedero Hd ( m ) 0,202 0,261
Relación de alturas ( y/H ) 4,954 4,606
Lm ( m ) 0,69 0,86
Caudal por unidad de ancho ( q ) m3/seg-m 0,167 0,244
Profundidad crítica hc ( m ) 0,141 0,183
Lm ( m ) 0,740 0,948
Altura conjugada h1 0,050 0,066
Velocidad teórica pie de la caída (V1) ( m / seg ) 3,32 3,69
Número de Froude. NF ( F1 ) 4,73 4,58
Lámina agua después del resalto (h2) 0,312 0,397
Velocidad agua después resalto (V2) 0,53 0,62

PARAMETRO
VALOR
2017 2042
Temperatura del agua 24 24
Densidad del agua (gr/cm3 ) 0,99753 0,99753
Viscosidad absoluta (gr.masa/cm.s) 0,00916 0,00916
Viscosidad cinemática (cm2/seg) 0,00919 0,00919
Pérdida de energía ( hf ) en metros 0,286 0,345
Pérdida de energía ( hf ) en cm 28,61 34,46
LONGITUD DEL RESALTO
Lr = 6*( h2 - h1 ) 1,57 1,99
Velocidad media del agua 1,93 2,15
Tiempo de mezcla T en segundos 0,81 0,92
GRADIENTE
Gradiente de velocidad G 1.937 1.998

𝒉𝒄 =
𝟑 𝒒𝟐
𝒈
𝒉𝟏 =
𝟐 𝒉𝒄
𝟏, 𝟓 +
𝑷
𝒉𝒄
+ 𝟏, 𝟎𝟔
𝑵𝑭 =
𝑽𝟏
𝒈 𝒉𝟏
𝒉𝟐 =
𝒉𝟏
𝟐
𝟏 + 𝟖𝑵𝑭𝟐 − 𝟏
𝑳𝑹 = 𝟔 𝒉𝟐 − 𝒉𝟏
𝑳𝒎 = 𝟏, 𝟒𝟓 𝑯 (
𝑷
𝑯
)𝟎,𝟓𝟒
𝑳𝒎 = 𝟒, 𝟑 𝑷 (
𝒉𝒄
𝑷
)𝟎,𝟗
𝒉𝒇 =
(𝒉𝟐− 𝒉𝟏)
𝟒𝒉𝟐𝒉𝟏
𝟑

VERTEDERO DE CAÍDA RECTA
Ecuación experimental de Rand, Moore, Bakhmeteff y Feudoroff:

𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎í𝑑𝑎 = 𝐷 =
𝑞2
𝑔 . ℎ3
𝐿𝑚
ℎ
= 4,30 𝐷0,27
𝑦𝑝
ℎ
= 1,0 𝐷0,22
𝑦1
ℎ
= 0,54 𝐷0,425
𝑦2
ℎ
= 1,66 𝐷0,27

DISEÑO CANALETA PARSHALL
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO
1. Datos de entrada:
• Caudal de diseño
• Temperatura del agua
2. Suponer:
• Ancho de la garganta: Tener en cuenta rango de medición del caudal
3. Tener en cuenta criterios Nomas RAS
• Número de Froude: entre 1,7 y 2,5 y entre 4,5 y 9
• Tiempo de mezcla: menor de 1 s
• Gradiente de mezcla: entre 1000 y 2000 s-1

Rangos de medición de caudal en Canaletas Parshall
Ancho de garganta (W) Caudal (L/s)
(") (m) Q mínimo Q máximo
3 0,0762 0,9 53,8
6 0,1524 1,5 110,4
9 0,2286 2,6 251,9
1 pie 0,3048 3,1 455,6
1,5 pies 0,46 4,3 696,2
2 pies 0,61 11,9 936,7
3 pies 0,915 17,3 1.427,2
4 pies 1,22 36,8 1.921,2
5 pies 1,525 45,3 2.423,9
6 pies 1,83 74,4 2.929,0
8 pies 2,44 130,7 3.950,0

4. Diseño hidráulico
En el diseño hidráulico de una canaleta Parshall se analizan las
condiciones hidráulicas en tres puntos de la canaleta:
• En el punto “0” en el cual se realiza la medición del caudal de
entrada
• En el punto (1) a la salida de la garganta de la Parshall y en el cual
se inicia el resalto hidráulico
• En el punto (2) al final de la expansión o punto de salida de la
Parshall

4.1 Análisis hidráulico en el punto (0)
En el punto de medición de la Parshall y teniendo en cuenta la ecuación de la
canaleta, podemos conocer el caudal de entrada, la profundidad del agua, su
velocidad y la energía específica, la cual se recomienda medir con respecto al
punto más bajo de la Parshall que es el punto donde se presenta el cambio de
pendiente:
• Con el ancho de la garganta de la Parshall, medir el valor de la profundidad del
agua a la entrada de la Parshall (ho), haciendo uso de la ecuación de la
canaleta:

ℎ0 = 𝐾 𝑄𝑚

• Medir el ancho del canal en el punto de medición de la profundidad del agua y
la velocidad del agua Vo
𝑫´ =
𝟐
𝟑
𝑫 − 𝑾 + 𝑾
𝑽𝒐 =
𝑸
𝒉𝒐 𝑫´
𝑬𝒐 = 𝒉𝒐 +
𝑽𝟐
𝟐𝒈
+ 𝑵

4.2 Análisis hidráulico en el punto (1) a la salida de la garganta
Mediante el análisis hidráulico a la salida de la garganta de la Parshall, se desea
conocer el valor de la velocidad V1, la profundidad del agua h1 y el número de
Froude y de esta manera poder saber el tipo de resalto hidráulico que se estará
formando
• Energía específica a la salida de la garganta de la Parshall
𝑬𝟏 = 𝒉𝟏 +
𝑽𝟏
𝟐
𝟐𝒈

Teniendo en cuenta que:
𝑸 = 𝑽 . 𝑨 = 𝑽𝟏 . 𝑾. 𝒉𝟏
Despejando se obtiene:
𝒉𝟏 =
𝑸
𝑽𝟏 . 𝑾
Reemplazando en la ecuación anterior se obtiene:
𝑬𝟏 =
𝑸
𝑽𝟏 . 𝑾
+
𝑽𝟏
𝟐
𝟐𝒈
𝟐𝒈. 𝑽𝟏. 𝑾. 𝑬𝟏 = 𝟐𝒈. 𝑸 + 𝑽𝟏
𝟑
. 𝑾

Organizando términos y dividiendo la expresión por W se obtiene:
𝑽𝟏
𝟑
− 𝟐𝒈 𝑬𝟏𝑽𝟏 =
𝟐𝒈 𝑸
𝑾
𝑬𝟏 ≈ 𝑬𝟎
Resolvemos la ecuación y calculamos V1 con la función de Excel de buscar
objetivo. Se hayan los valores de V1, h1, y se calcula el de Froude
𝑵𝑭 =
𝑽𝟏
𝒈 𝒉𝟏

4.3 Análisis hidráulico en el punto (2) a la salida de la Parshall
Para el resalto hidráulico que se forma en la Canaleta Parshall conocemos la
profundidad inicial “h1” y podemos calcular la profundidad secuente “h2” mediante
la expresión:
𝒉𝟐 =
𝒉𝟏
𝟐
𝟏 + 𝟖𝑵𝑭𝟐 − 𝟏
Conocido el valor de “h2” podemos calcular la profundidad del agua (h3) a la salida
de la Parshall y la velocidad V3 o velocidad del agua a la salida de la canaleta:
𝒉𝟑 = 𝒉𝟐 − ( 𝑵 − 𝑲)
𝑽𝟑 =
𝑸
𝒉𝟑. 𝑪

𝑮 =
𝒈. 𝒉𝒇
𝝊 . 𝜽
Las pérdidas de carga se calculan mediante la siguiente expresión:
𝒉𝒇 = 𝒉𝟎 + 𝑵 − 𝒉𝟐
𝑽 =
𝒕𝒊𝒆𝒎𝒑𝒐
⟹ 𝒕𝒊𝒆𝒎𝒑𝒐 =
𝑽𝒆𝒍𝒐𝒄𝒊𝒅𝒂𝒅
=
𝑳𝑹
𝑽𝒎𝒆𝒅𝒊𝒂 =
𝑽𝟏+ 𝑽𝟑
𝟐
𝜽 =
𝑮
𝑺𝒖𝒎𝒆𝒓𝒈𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂 =
𝒉𝟐−𝑵
𝒉𝟎

Ancho de garganta
Máxima sumergencia
(hb / ho)
De 3 a 9" 0,6
12" a 8 pies 0,7
10 a 50 pies 0,8
ℎ𝑏 = ℎ2 − 𝑁

Ejemplo: Diseñar una canaleta Parshall para un caudal de 150 L/s y una
temperatura del agua de 20°C
Primero escogemos el ancho de garganta de la canaleta. Si queremos medir el
caudal de 150 L/s se requieren canaletas con ancho de garganta superior a 9”.
Adoptamos una Parshall de 9” y obtenemos los siguientes valores:
W = 9” que equivale a 0,229 m
De la ecuación de la Parshall de 9” se obtiene:
K = 1,486; m = 0,633
ℎ𝑜 = 1,486 𝑄0,633
= 0,45 m
De la tabla de las dimensiones de la Parshall se obtiene la siguiente información:
C = 0,38; D = 0,575; N = 0,114

PARAMETRO W =9"
Caudal (L/s) 150,00
Caudal (m3/s) 0,15
Ancho del canal en metros = B 0,9
W (") 9
W (m) 0,229
Valor D´ 0,460
Vo 0,73
Eo 0,59
ho/W debe estar entre 0,4 y 0,8 1,956
Valor de -2*Q*g/W -12,874
Valor de V1 para iteración 2,55
Ecuación que se iguala a 0 (0,0007)
Altura h1 0,258
Número de Froude. NF ( F1 ) 1,60

Como puede observarse, una Parshall de 9” no cumple con el Número de Froude
y tampoco cumple la relación h0/W, por lo que debemos estudiar otros anchos de
garganta, para este caso la de 12 y 18”. Se obtiene:
PARAMETRO W =9" W =12" W =18"
Caudal (L/s) 150,00 150,00 150,00
Caudal (m3/s) 0,15 0,15 0,15
Ancho del canal en metros = B 0,9 0,9 0,9
W (") 9 12 18
W (m) 0,229 0,305 0,457
Valor D´ 0,460 0,665 0,836
Vo 0,73 0,61 0,64
Eo 0,59 0,62 0,53
ho/W debe estar entre 0,4 y 0,8 1,956 1,204 0,616
Valor de -2*Q*g/W -12,874 -9,656 -6,437
Valor de V1 para iteración 2,55 2,97 2,99
Ecuación que se iguala a 0 (0,0007) 0,0000 2,0401
Altura h1 0,258 0,166 0,110
Número de Froude. NF ( F1 ) 1,60 2,33 2,88

PARAMETRO W =9" W =12" W =18"
Lámina agua después del resalto (h2) 0,47 0,47 0,40
Velocidad (V2) 0,84 0,52 0,50
Sumergencia = ( h2 - N) /ho 0,79 0,65 0,59
C 0,38 0,61 0,76
K 0,076 0,076 0,076
Altura h3 = h2 - (N - K ) 0,43 0,32 0,24
Velocidad agua sección de salida (V3) 0,92 0,78 0,81
Pérdida de carga hf = ho + N - h2 0,09 0,1267 0,11
Longitud resalto (G) 0,457 0,915 0,915
Velocidad media en el resalto 1,73 1,87 1,90
Tiempo de mezcla (s) 0,26 0,49 0,48
Temperatura del agua 20 20 20
Densidad del agua (gr/cm3 ) 0,99823 0,99823 0,99823
Viscosidad absoluta (gr.masa/cm.s) 0,01009 0,01009 0,01009
Viscosidad cinemática (cm2/seg) 0,01010 0,01010 0,01010
Gradiente de velocidad G 1.840 1.586 1.519

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